L'accesso limitato all'acqua pulita è un problema importante per miliardi di persone nei paesi in via di sviluppo, dove le fonti d'acqua sono spesso contaminate da rifiuti industriali e agricoli. Molti organismi che causano malattie e inquinanti organici possono essere rimossi rapidamente dall'acqua utilizzando il perossido di idrogeno senza lasciare residui chimici nocivi. Però, produrre e distribuire perossido di idrogeno è una sfida in molte parti del mondo.

Ora gli scienziati dello SLAC National Accelerator Laboratory del Dipartimento dell'Energia e della Stanford University hanno creato un piccolo dispositivo per la produzione di perossido di idrogeno che potrebbe essere alimentato da fonti di energia rinnovabile, come i tradizionali pannelli solari.

"L'idea è di sviluppare una cella elettrochimica che generi perossido di idrogeno da ossigeno e acqua in loco, e quindi utilizzare quel perossido di idrogeno nelle acque sotterranee per ossidare i contaminanti organici che sono dannosi da ingerire per gli esseri umani, " ha detto Chris Hahn, uno scienziato dello staff associato dello SLAC.

I loro risultati sono stati riportati il ​​1 marzo in Chimica e ingegneria delle reazioni .

Il progetto era una collaborazione tra tre gruppi di ricerca presso il SUNCAT Center for Interface Science and Catalysis, che è gestito congiuntamente da SLAC e dalla Stanford University.

"La maggior parte dei progetti qui a SUNCAT segue un percorso simile, " disse Zhihua (Bill) Chen, uno studente laureato nel gruppo di Tom Jaramillo, un professore associato presso SLAC e Stanford. "Partono da previsioni basate sulla teoria, passare allo sviluppo del catalizzatore e alla fine produrre un dispositivo prototipo con un'applicazione pratica."

In questo caso, i ricercatori del gruppo teorico guidato dal professor Jens Nørskov dello SLAC/Stanford hanno utilizzato la modellazione computazionale, su scala atomica, studiare catalizzatori a base di carbonio in grado di abbassare i costi e aumentare l'efficienza della produzione di perossido di idrogeno. Il loro studio ha rivelato che la maggior parte dei difetti in questi materiali sono naturalmente selettivi per la generazione di perossido di idrogeno, e alcuni sono anche molto attivi. Poiché i difetti possono formarsi naturalmente nei materiali a base di carbonio durante il processo di crescita, la scoperta chiave è stata quella di realizzare un materiale con il maggior numero possibile di difetti.

"Il mio precedente catalizzatore per questa reazione usava il platino, che è troppo costoso per la depurazione decentralizzata dell'acqua, " ha affermato l'ingegnere di ricerca Samira Siahrostami. "La cosa bella del nostro materiale a base di carbonio più economico è che ha un numero enorme di difetti che sono siti attivi per catalizzare la produzione di perossido di idrogeno".

Shucheng Chen, studente laureato a Stanford, che lavora con il professor Zhenan Bao di Stanford, quindi preparato i catalizzatori di carbonio e misurato le loro proprietà. Con l'aiuto degli scienziati dello staff della SSRL Dennis Nordlund e Dimosthenis Sokaras, questi catalizzatori sono stati caratterizzati anche utilizzando raggi X presso la Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) di SLAC, una struttura per gli utenti dell'Office of Science del DOE.

"Ci siamo affidati ai nostri esperimenti in SSRL per comprendere meglio la struttura del nostro materiale e verificare che avesse i giusti tipi di difetti, "Shucheng Chen ha detto.

Finalmente, ha passato il catalizzatore al suo compagno di stanza Bill Chen, chi ha progettato, costruito e testato il loro dispositivo.

"Il nostro dispositivo ha tre scomparti, " Bill Chen ha spiegato. "Nella prima camera, il gas ossigeno scorre attraverso la camera, si interfaccia con il catalizzatore prodotto da Shucheng e si riduce a perossido di idrogeno. Il perossido di idrogeno entra quindi nella camera centrale, dove è conservato in una soluzione." In una terza camera, un altro catalizzatore converte l'acqua in gas ossigeno, e il ciclo ricomincia.

Separare i due catalizzatori con una camera intermedia rende il dispositivo più economico, più semplice e robusto che separarli con una membrana semipermeabile standard, che può essere attaccato e degradato dal perossido di idrogeno.

Il dispositivo può funzionare anche con fonti di energia rinnovabile disponibili nei villaggi. La cella elettrochimica è essenzialmente un circuito elettrico che funziona con una piccola tensione applicata ai suoi capi. La reazione nella camera uno mette gli elettroni nell'ossigeno per fare il perossido di idrogeno, che è bilanciato da una controreazione nella camera tre che prende gli elettroni dall'acqua per produrre ossigeno, adeguandosi alla corrente e completando il circuito. Poiché il dispositivo richiede solo circa 1,7 volt applicati tra i catalizzatori, può funzionare con una batteria o due pannelli solari standard.

I gruppi di ricerca stanno ora lavorando su un dispositivo di maggiore capacità.

Attualmente la camera centrale contiene solo circa 10 microlitri di perossido di idrogeno; vogliono renderlo più grande. Stanno anche cercando di far circolare continuamente il liquido nella camera centrale per pompare rapidamente il perossido di idrogeno, quindi le dimensioni della camera di stoccaggio non limitano più la produzione.

Vorrebbero anche produrre perossido di idrogeno in concentrazioni più elevate. Però, bastano pochi milligrammi per trattare un litro d'acqua, e l'attuale prototipo produce già una concentrazione sufficiente, che è un decimo della concentrazione del perossido di idrogeno che acquisti in negozio per le tue esigenze mediche di base.

A lungo termine, il team vuole cambiare l'ambiente alcalino all'interno della cellula in uno neutro che sia più simile all'acqua. Ciò renderebbe più facile l'uso da parte delle persone, perché il perossido di idrogeno potrebbe essere miscelato direttamente con l'acqua potabile senza doverlo prima neutralizzare.

I membri del team sono entusiasti dei loro risultati e sentono di essere sulla strada giusta per sviluppare un dispositivo pratico.

"Attualmente è solo un prototipo, ma personalmente penso che brillerà nel campo della depurazione decentralizzata dell'acqua per i paesi in via di sviluppo, " ha detto Bill Chen. "È come una scatola magica. Spero che possa diventare realtà".